Silnik rakietowy, który ma w środku nieustannie krążące detonacje, to na pierwszy rzut oka wręcz projektowe fiasko. Jednak pewni studenci mieli go nie tylko zbudować, ale też z sukcesem przetestować, kończąc tym samym z sukcesem swoją dwuletnią przygodę z projektem, który na stanowisku testowym dosłownie ujarzmił eksplozje.
Studenci zrobili silnik, który okiełznał eksplozje
Zespół Pegasus działający w ramach szwajcarskiej inicjatywy ARIS przy ETH Zurich, przetestował właśnie swój autorski rotacyjny detonacyjny silnik rakietowy, czyli Rotating Detonation Rocket Engine (RDRE). Ta jednostka korzysta z propanu oraz ciekłego tlenu, a sednem jej działanie nie jest klasyczne, spokojniejsze spalanie paliwa, tylko kontrolowana fala detonacyjna krążąca w pierścieniowej komorze. Innymi słowy, eksplozje w przypadku tego silnika mają nie druzgocący wpływ, a wręcz przeciwnie – są podstawą jego działania. W tym konkretnym przypadku mowa o zjawisku zachodzącym nawet 20000 razy na sekundę, co dobrze pokazuje, dlaczego ta technologia jest jednocześnie fascynująca i paskudnie trudna do opanowania.
Czytaj też: Silnik przyszłości ma oddychać jak odrzutowiec. Ja tu widzę oznaki rewolucji
W branży kosmicznej takich dzieł widzieliśmy jednak już dziesiątki, więc co jest tutaj aż tak interesującego? Ano to, że studenci nie zbudowali zwykłej demonstracji z płomieniem na stanowisku, lecz pełnoprawną jednostkę należącą do rodziny napędów, nad którymi pracują poważne ośrodki badawcze. Jakie? Przede wszystkim NASA, która testowała własny drukowany w 3D RDRE przez 251 sekund, osiągając około 25,8 kN ciągu oraz japońskie zespoły związane z JAXA i uczelniami, które już w 2021 roku przeprowadziły demonstrację silnika detonacyjnego.
Owszem, skala jest inna niż w programach NASA, a droga od udanego testu do napędu gotowego do pracy w misji kosmicznej jest długa. Jednak sam fakt, że młody zespół potrafił uzyskać stabilną falę detonacyjną w silniku na ciekłe składniki paliwowe, mówi tak naprawdę sporo o tym, w którą stronę idzie nowoczesna inżynieria napędowa.
Dlaczego “wybuchający silnik” może być lepszy od klasycznego?
Wyższość eksplozji nad spalaniem w silnikach najprościej ująłbym tak: klasyczny silnik rakietowy spala paliwo w sposób, który daje rozgrzane gazy wypychane przez dyszę. RDRE próbuje zaś wykorzystać detonację, czyli już znacznie szybszy i gwałtowniejszy front reakcji. W klasycznym spalaniu front płomienia przemieszcza się poddźwiękowo. W detonacji fala reakcji idzie naddźwiękowo i wiąże się z gwałtownym wzrostem ciśnienia. Dla rakiety brzmi to kusząco, bo wyższa efektywność przemiany energii chemicznej paliwa może oznaczać więcej ciągu z tej samej ilości materiałów pędnych. Tylko że “kusząco” wcale nie znaczy z automatu “łatwo”.
W RDRE fala detonacyjna musi krążyć w komorze w sposób stabilny. Nie może zgasnąć, nie może rozbić się na chaotyczne zjawiska, nie może też cofnąć się w układ zasilania. W przypadku zespołu Pegasus szczególnie ważny był wtryskiwacz, który miał mieszać propan i ciekły tlen, a jednocześnie zapobiegać przenoszeniu niszczących fal ciśnienia w stronę przewodów doprowadzających składniki. Kluczowa w takim projekcie jest też precyzja wymagana do utrzymania takiej detonacji w ryzach. Rakiety od zawsze żyją na granicy ekstremów, a RDRE dodaje do tego jeszcze konieczność panowania nad zjawiskiem, które intuicyjnie kojarzy się z destrukcją, choć teraz ma stać się narzędziem.
Czytaj też: Silnik spalinowy miał iść do trumny, a tu Honda zamówiła mu hybrydowy respirator
Poziom skomplikowania tego typu silnika podkreśla fakt, że pierwsza próba, która miała miejsce tydzień wcześniej przed sukcesem, nie doprowadziła do uzyskania fali detonacyjnej. Dopiero podczas kolejnego testu, przeprowadzonego wieczorem na lotnisku Dübendorf, udało się potwierdzić stabilne fale detonacyjne. Oczywiście w branży kosmicznej porażka testowa bywa częścią normalnej pracy, o ile nie jest maskowana opowieścią o “planowanych anomaliach”. Tutaj ewidentnie jednak mamy zdrowy przykład iteracji. Zespół sprawdził dane, poprawił parametry dopływu paliwa i utleniacza, a następnie uzyskał pożądany efekt.
Z ciekawostek sama komora silnika została wykonana z miedzi z wykorzystaniem metalowego druku 3D. Jest to akurat kolejny element większego trendu, który w napędach rakietowych staje się coraz ważniejszy. Przy skomplikowanych kanałach chłodzenia, nietypowych geometriach i krótkich seriach rozwojowych druk 3D daje swobodę, której klasyczna obróbka często nie zapewnia. Podobny kierunek opisywałem przy silnikach rakietowych projektowanych cyfrowo oraz przy silniku aerospike zaprojektowanym przez SI.
RDRE obiecuje więcej, ale jeszcze nie wygrało z klasycznymi silnikami
Czy więc klasyczne silniki rakietowe właśnie odchodzą do muzeum? Nie. Ewidentnie jeszcze nie. Dzisiejsze jednostki opierające się na paliwie ciekłym są potwornie dopracowane, a ich słabości wynikają nie tylko z samego sposobu spalania. Liczy się cały system – turbopompy, chłodzenie, stabilność pracy, ponowne uruchamianie, niezawodność, koszt produkcji, integracja ze stopniem rakiety i zachowanie w różnych fazach lotu.
Silnik RDRE ma jednak bardzo ważną zaletę – jego paliwo stanowi zwykle większość masy rakiety startującej z Ziemi, więc nawet niewielka poprawa efektywności może przełożyć się na większy ładunek albo mniejszy koszt wyniesienia. Wystarczy więc, że taki silnik okaże się użyteczny w konkretnych zastosowaniach: lądownikach, górnych stopniach, transferach orbitalnych albo misjach księżycowych. Zresztą NASA właśnie w takich kierunkach widzi potencjał RDRE, od lądowania po manewry między Księżycem i Marsem.
Czytaj też: Nowy sposób zwiększenia potęgi wojska mnie zaskoczył. Nie trzeba było nowych silników, wystarczyła chemia
Musimy też pamiętać, że całościowy koszt lotu kosmicznego to nie tylko paliwo i silnik. Jest to także produkcja, testy, certyfikacja, infrastruktura startowa, logistyka, ubezpieczenia, niezawodność i skala operacji. W efekcie nawet teoretycznie lepszy silnik musi zostać zamieniony w powtarzalny kompleks, który działa wzorcowo. Jeśli jednak nowy napęd pozwoli zmniejszyć masę konstrukcji, poprawić impuls właściwy albo uprościć część architektury silnika, to konsekwencje mogą być duże. W przypadku misji kosmicznych kilogramy są bowiem brutalną walutą.
Źródła: ETH Zurich, Interesting Engineering, NASA
